城市綜合管廊電纜火災(zāi)數(shù)值模擬及影響因素分析*

王明年,田 源,于 麗,閆自海,金 威

(1. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；3. 中國(guó)電建集團(tuán)華東勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引言

綜合管廊在改善城市環(huán)境、有效利用地下空間等方面具有顯著作用，現(xiàn)已被越來(lái)越多的城市所規(guī)劃建設(shè)，但由于綜合管廊建設(shè)于城市地下，結(jié)構(gòu)狹長(zhǎng)且封閉，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)蔓延較快，極易造成嚴(yán)重后果[1]。因此，綜合管廊的火災(zāi)發(fā)展規(guī)律及其防治技術(shù)成為目前消防安全工作的重點(diǎn)研究對(duì)象，其中電纜艙室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的概率與危險(xiǎn)性較高[2]，故國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等方式對(duì)電纜火災(zāi)進(jìn)行研究，Zavaleta等[3]通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了密閉和通風(fēng)條件對(duì)阻燃電纜火災(zāi)的影響，研究表明密閉條件會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)增長(zhǎng)速率、熱釋放率峰值降低；Matala等[4]利用FDS模擬了電纜隧道在有無(wú)水噴霧系統(tǒng)2種工況下的火災(zāi)場(chǎng)景，并得出了電纜火災(zāi)的蔓延特性；李文婷[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出電纜材料的熱釋放速率和質(zhì)量損失速率等參數(shù)，并利用FDS建立模型分析了綜合管廊電纜火災(zāi)下煙氣蔓延和熱量傳遞過(guò)程；趙永昌等[6]通過(guò)建立縮尺綜合管廊模型對(duì)電纜艙室進(jìn)行油池火火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，得到在不同火源功率下煙氣溫度呈冪指數(shù)衰減等成果；王方舜[7]通過(guò)CFD對(duì)綜合管廊內(nèi)電纜火災(zāi)發(fā)展過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同防火分區(qū)間距下火災(zāi)的熱釋放速率、溫度分布及煙氣擴(kuò)散等情況；郝冠宇[8]利用FDS建立管廊火災(zāi)模型進(jìn)行分析，得到了電纜火災(zāi)期間的火勢(shì)發(fā)展、煙氣擴(kuò)散和溫度變化等規(guī)律，且建議采用一進(jìn)一排不設(shè)誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)的通風(fēng)排煙方式；楊永斌[9]通過(guò)FDS建立綜合管廊電力艙火災(zāi)模型，研究了點(diǎn)火源位于不同水平和垂直位置情況下艙室內(nèi)部火災(zāi)蔓延及溫度變化規(guī)律。

綜上所述，目前針對(duì)綜合管廊電纜火災(zāi)的相關(guān)研究主要集中于火災(zāi)各特征參數(shù)發(fā)展規(guī)律、防治措施技術(shù)等內(nèi)容，未考慮艙室截面尺寸等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電纜火災(zāi)發(fā)展過(guò)程的影響。基于此，本文建立簡(jiǎn)化電纜模型，采用三維火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS對(duì)綜合管廊內(nèi)電纜火災(zāi)進(jìn)行進(jìn)一步研究，確定了依托工程電纜火災(zāi)發(fā)生時(shí)的熱釋放速率變化規(guī)律及其煙氣溫度分布特征，重點(diǎn)研究了艙室凈高和凈寬等結(jié)構(gòu)基本參數(shù)對(duì)電纜火災(zāi)發(fā)展過(guò)程的影響，為綜合管廊電纜艙室的火災(zāi)防治和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 工程概況

義烏市商城大道城市地下綜合管廊西起國(guó)貿(mào)大道，東與望道變已建電力管廊接順，全長(zhǎng)4.4 km。綜合管廊采用兩艙形式，如圖1所示，其中高壓電力艙室入廊管線為6回220 kV+6回110 kV電纜，水信電綜合艙室入廊管線為36孔10 kV+10孔通訊管+DN 1 000 mm給水管，燃?xì)夤芫€不納入管廊。110～220 kV電纜橋架層間距為500 mm，10 kV電纜橋架層間距為300 mm，通信線纜的橋架層間距為250 mm，且10 kV電纜及通信支架寬度為600 mm，110～220 kV電纜支架寬度為700 mm。此外，高壓電力艙左右橋架間為檢修通道，寬度為1.2 m，最上層電纜距艙室頂板距離為600 mm，且管廊各艙室防火分隔間距為200 m，均采用自然進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)方式并設(shè)置高壓細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，聯(lián)動(dòng)關(guān)閉發(fā)生火災(zāi)的防火分區(qū)及相鄰分區(qū)的通風(fēng)設(shè)備及常開(kāi)式防火門(mén)，并啟動(dòng)自動(dòng)滅火系統(tǒng)。

圖1 商城大道城市綜合管廊示意(單位：mm)Fig.1 Shangcheng Avenue urban utility tunnel(unit：mm)

2 綜合管廊電纜火災(zāi)數(shù)值模擬

2.1 FDS原理

本文采用三維火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬軟件FDS對(duì)綜合管廊電纜火災(zāi)進(jìn)行研究，其基于火源驅(qū)動(dòng)流體的CFD模型能夠有效描述低馬赫數(shù)氣體流動(dòng)問(wèn)題，可以很好地解決火場(chǎng)中的溫度、熱釋放速率、能見(jiàn)度以及燃燒產(chǎn)物濃度等隨火災(zāi)發(fā)展的變化問(wèn)題。

FDS的基本思想是根據(jù)質(zhì)量(組分)守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律建立相應(yīng)的基本方程，其方程如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

在FDS火災(zāi)模擬過(guò)程中，網(wǎng)格尺寸的大小決定著模擬結(jié)果的精確程度，網(wǎng)格數(shù)量越多，計(jì)算越精確，但會(huì)增加計(jì)算求解時(shí)間。因此，一般通過(guò)火源特征直徑D*來(lái)確定網(wǎng)格尺寸的大小，研究表明，當(dāng)網(wǎng)格尺寸取為火源特征直徑的1/10時(shí)，模擬結(jié)果較為精確[10]。火源特征直徑計(jì)算公式如下：

(5)

式中：Q為火災(zāi)熱釋放速率，kW；ρ∞為空氣密度，kg/m3，c∞為空氣比熱容，kJ/(kg·K)；T∞為環(huán)境溫度，K；g∞為重力加速度，m/s2。

2.2 電纜模型簡(jiǎn)化

電纜的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要由護(hù)套層、絕緣層和金屬導(dǎo)體等組成，由于其自身短路、過(guò)載或接觸不良等可能導(dǎo)致電纜局部急劇升溫，引起電纜可燃材料熱解，進(jìn)而發(fā)生火災(zāi)，一般護(hù)套層和絕緣層在電纜燃燒過(guò)程中對(duì)熱釋放的貢獻(xiàn)最大，約占90%以上[11]。考慮艙室內(nèi)電纜由金屬橋架支撐，且電纜內(nèi)部導(dǎo)體也為金屬，不易燃燒，故其對(duì)點(diǎn)火源所引起的電纜火災(zāi)影響極小。因此，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，僅考慮電纜護(hù)套絕緣層材料發(fā)生燃燒，在FDS火災(zāi)模擬中將其簡(jiǎn)化為等厚度薄板進(jìn)行研究，如圖2所示。由于聚氯乙烯材料的經(jīng)濟(jì)性和阻燃性，使得其在電纜中被廣泛使用，其燃燒性能參數(shù)如表1所示。

圖2 電纜模型簡(jiǎn)化Fig.2 Simplified cable model

表1 聚氯乙烯燃燒性能參數(shù)Table 1 Combustion performance parameters of PVC

2.3 電纜火災(zāi)模型建立

由于依托工程中高壓電力艙空間較綜合艙小，內(nèi)部高壓電纜數(shù)量較多且敷設(shè)密集，在正常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)熱量較大。同時(shí)，高壓電力艙與綜合艙之間由混凝土墻相互分隔，均有獨(dú)立的通風(fēng)排煙系統(tǒng)，因此僅考慮高壓電力艙發(fā)生火災(zāi)時(shí)進(jìn)行研究。為探明艙室內(nèi)電纜火災(zāi)的發(fā)展過(guò)程及溫度分布規(guī)律，將點(diǎn)火源設(shè)置在高壓電力艙室底部電纜中間位置處，進(jìn)行最不利情況下FDS火災(zāi)模擬分析。

高壓電力艙全尺寸模型尺寸為200 m×3.35 m×4.8 m(長(zhǎng)×寬×高)，其中電纜沿艙室縱向均勻布置在兩側(cè)，點(diǎn)火源設(shè)置于艙室一側(cè)底部中心位置，為超快速t2火，其熱釋放速率為2 MW/m2，火源面積為0.2 m2，不計(jì)艙室內(nèi)風(fēng)速的影響，模擬計(jì)算電纜火災(zāi)熱釋放速率及其煙氣溫度場(chǎng)變化規(guī)律。綜合考慮網(wǎng)格精度與計(jì)算時(shí)間成本，經(jīng)式(5)計(jì)算將模型網(wǎng)格尺寸統(tǒng)一劃分為0.2 m×0.2 m×0.1 m，火災(zāi)模擬時(shí)間為3 600 s。高壓電力艙電纜火災(zāi)計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 電纜火災(zāi)計(jì)算模型Fig.3 Calculation model of cable fire

2.4 模擬結(jié)果及分析

2.4.1 電纜火災(zāi)發(fā)展過(guò)程分析

FDS火災(zāi)模擬較為全面地反映了電纜火災(zāi)的發(fā)展過(guò)程，如圖4所示，也可得出電纜艙室著火分區(qū)內(nèi)熱釋放速率隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖5所示。一個(gè)防火分區(qū)內(nèi)的電纜火災(zāi)發(fā)展通常經(jīng)歷4個(gè)階段，即初起階段、發(fā)展階段、充分燃燒階段和衰減熄滅階段。t=10 s時(shí)，艙室點(diǎn)火源附近電纜的護(hù)套絕緣層材料逐漸受熱并發(fā)生高溫?zé)峤猓M(jìn)入陰燃階段；t=1 000 s時(shí)，底部電纜被引燃，火勢(shì)逐漸增大并開(kāi)始向火源兩側(cè)電纜蔓延，火災(zāi)熱釋放速率逐漸增大；t=2 100 s時(shí)，隨著電纜持續(xù)燃燒，釋放大量熱量，點(diǎn)火源同側(cè)電纜從下至上逐漸被引燃，熱釋放速率持續(xù)上升；t=2 400 s時(shí)，由于電纜火災(zāi)的火勢(shì)進(jìn)一步擴(kuò)大，另一側(cè)電纜達(dá)到燃點(diǎn)后發(fā)生燃燒，使得艙室內(nèi)火勢(shì)達(dá)到最大，進(jìn)入充分燃燒階段，熱釋放速率呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，最大熱釋放速率峰值達(dá)11.2 MW，由于密閉電纜艙室內(nèi)氧氣含量有限，電纜不能持續(xù)進(jìn)行大規(guī)模燃燒，故火災(zāi)持續(xù)一段時(shí)間后火勢(shì)逐漸衰減，熱釋放速率也隨之下降，屬通風(fēng)控制型火災(zāi)。從圖4中可以看出，在火災(zāi)充分燃燒階段，頂部電纜火災(zāi)蔓延范圍遠(yuǎn)大于其他部位電纜，考慮是由于頂部電纜在受到其下部電纜火勢(shì)的影響之外，還受到艙室頂部高溫?zé)煔獾膶?duì)流和輻射影響的結(jié)果。

圖4 電纜火災(zāi)發(fā)展過(guò)程示意Fig4. Development process of cable fire

圖5 電纜火災(zāi)熱釋放速率-時(shí)間曲線Fig.5 Heat release rate-time curve of cable fire

2.4.2 電纜火災(zāi)煙氣溫度分布規(guī)律分析

通過(guò)FDS火災(zāi)模擬分析得到電纜艙室著火分區(qū)內(nèi)煙氣溫度分布規(guī)律，如圖6～ 8所示。t=10 s時(shí)，點(diǎn)火源附近電纜護(hù)套絕緣層表面逐漸受熱發(fā)生高溫?zé)峤猓撌覂?nèi)溫度開(kāi)始發(fā)生變化；t=1 000 s時(shí)，底部電纜被引燃，火勢(shì)逐漸向兩側(cè)蔓延，并形成了溫度較高、不斷上升的火羽流；t=2 100 s時(shí)，點(diǎn)火源同側(cè)電纜均先后發(fā)生燃燒，艙室內(nèi)溫度不斷升高，同時(shí)由于頂棚射流，高溫?zé)煔庠谂撌翼敳糠e聚并沿艙室縱向蔓延，另一側(cè)上層電纜也開(kāi)始燃燒；t=2 400 s時(shí)，電纜火災(zāi)進(jìn)入充分燃燒階段，艙室內(nèi)火勢(shì)達(dá)到最大，火災(zāi)最高溫度可達(dá)970℃。此外，通過(guò)FDS火災(zāi)模擬可知，在3 600 s火災(zāi)模擬時(shí)間內(nèi)，著火分區(qū)內(nèi)電纜燃燒范圍較小，火災(zāi)蔓延長(zhǎng)度約為25 m，遠(yuǎn)小于1個(gè)防火分區(qū)長(zhǎng)度。

圖6 火災(zāi)下艙室橫斷面(x=100 m)溫度分布云圖Fig.6 Temperature distribution of the cabin cross section under fire(x=100 m)

圖7 火災(zāi)下艙室縱斷面(y=1.7 m)溫度分布云圖Fig.7 Temperature distribution of the cabin longitudinal section under fire(y=1.7 m)

圖8 火災(zāi)下艙室頂部(z=4.2m)溫度分布云圖Fig.8 Temperature distribution at the top of the 9cabin under fire(z=4.2m)

3 綜合管廊電纜火災(zāi)影響因素分析

依據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50838-2015)和《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50217-2007)等相關(guān)規(guī)范對(duì)綜合管廊電力艙室設(shè)計(jì)參數(shù)的基本規(guī)定[12-13]，綜合管廊內(nèi)部?jī)舾卟灰诵∮?.4 m，且當(dāng)其兩側(cè)布置管線時(shí)，中間通道凈寬不宜小于1.0 m，故選擇較為合理的艙室截面尺寸參數(shù)對(duì)綜合管廊電纜火災(zāi)的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行模擬分析，為綜合管廊火災(zāi)防治和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。在電纜層豎向間距、簡(jiǎn)化電纜模型寬度及最下層電纜距艙室底部距離一定的情況下，艙室凈高H主要表征為艙室內(nèi)最上層電纜距其頂板的凈距h，艙室凈寬W則主要表征為艙室內(nèi)通道凈寬w，因此，考慮艙室不同截面尺寸共設(shè)計(jì)6種工況，采用FDS進(jìn)行火災(zāi)模擬研究，如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)工況Table 2 Simulation working conditions mm

3.1 電纜艙室凈高

圖9所示為艙室凈高H對(duì)綜合管廊電纜火災(zāi)的發(fā)展速率和熱釋放速率的影響規(guī)律。隨著艙室凈高H的增大，其最上層電纜距頂板的凈距h隨之增大，電纜火災(zāi)的發(fā)展速率和熱釋放速率峰值逐漸降低，且影響程度逐漸減小。最上層距頂板凈距h為400，600，800，1 000 mm時(shí)分別對(duì)應(yīng)的電纜火災(zāi)熱釋放速率峰值為12.5，11.2，10.8，10.6 MW。考慮在電纜火災(zāi)過(guò)程中，由于火羽流和頂棚射流作用，艙室頂部積聚大量高溫?zé)煔猓撌腋叨仍叫。邷責(zé)煔鈱?duì)頂部電纜層的輻射和對(duì)流強(qiáng)度越大，有助于電纜火災(zāi)的進(jìn)一步發(fā)展，表現(xiàn)為火災(zāi)發(fā)展速率和熱釋放速率峰值的增大。

圖9 艙室凈高對(duì)電纜火災(zāi)的影響Fig.9 The influence of cabin height on cable fire

因此，艙室凈高是影響電纜火災(zāi)的發(fā)展速率及熱釋放速率峰值的重要影響參數(shù)，綜合考慮電纜火災(zāi)的危險(xiǎn)性和隧道結(jié)構(gòu)的合理性，建議電纜布置時(shí)最上層電纜距艙室頂板凈距取為600 mm。

3.2 電纜艙室凈寬

圖10 艙室凈寬對(duì)電纜火災(zāi)的影響Fig.10 The influence of cabin width on cable fire

圖10為艙室內(nèi)通道寬度w對(duì)電纜火災(zāi)的影響規(guī)律。可見(jiàn)，通道寬度對(duì)電纜火災(zāi)的發(fā)展速率和熱釋放速率影響較小。考慮當(dāng)通道寬度為1 000 mm時(shí)，點(diǎn)火源一側(cè)的電纜發(fā)生燃燒后，由于通道寬度較小，另一側(cè)電纜所受火源輻射熱通量較大，使得艙室另一側(cè)電纜隨即被引燃，兩側(cè)電纜同時(shí)燃燒，導(dǎo)致火災(zāi)熱釋放速率急劇增大，最大熱釋放速率達(dá)到14.6 MW。而通道寬度為1 400 mm時(shí)電纜火災(zāi)的發(fā)展過(guò)程與通道寬度為1 200 mm時(shí)相似，均為點(diǎn)火源一側(cè)的電纜從下至上發(fā)生燃燒，隨后引燃另一側(cè)電纜，而通道寬度為1 400 mm時(shí)電纜火災(zāi)發(fā)展速率和熱釋放速率峰值相對(duì)較大是由于其艙室橫截面積較大導(dǎo)致燃燒時(shí)氧氣相對(duì)較為充足。

因此，通道寬度w較大時(shí)(w>1 200 mm)對(duì)電纜火災(zāi)的發(fā)展速率和熱釋放速率影響不大，綜合考慮電纜火災(zāi)的危險(xiǎn)性和隧道結(jié)構(gòu)的合理性，建議電纜艙室通道寬度取為1 200 mm。

4 結(jié)論

1)綜合管廊電纜艙室發(fā)生火災(zāi)時(shí)，點(diǎn)火源同側(cè)電纜和另一側(cè)電纜先后發(fā)生燃燒，釋放大量熱量，火場(chǎng)溫度較高，最大火災(zāi)熱釋放速率達(dá)11.2 MW。

2)綜合管廊電纜艙室發(fā)生火災(zāi)時(shí)，著火分區(qū)內(nèi)電纜燃燒范圍相對(duì)較小，火災(zāi)蔓延長(zhǎng)度約為25 m，屬于通風(fēng)控制型火災(zāi)，建議采用密閉自熄輔以自動(dòng)滅火系統(tǒng)的消防措施。

3)艙室凈高是影響電纜火災(zāi)的發(fā)展速率及熱釋放速率峰值的重要影響參數(shù)，而通道寬度對(duì)電纜火災(zāi)的影響較小，綜合考慮電纜火災(zāi)的危險(xiǎn)性和隧道結(jié)構(gòu)的合理性，建議電纜艙室通道寬度取為1 200 mm，最上層電纜距其頂板凈距取為600 mm。